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문제 정의
- 본 연구에서는 K사에서 개발한 2종류의 배수성 포장용 폴리머 개질제를 사용한 아스팔트 바인더들에 대한 시험을 실시하여 공용성능이 상대적으로 우수한 한 종류의 개질제를 선정하였다. 한 종류의 국산 개질제와 일본에서 사용되는 개질제 한 종류에 대하여 각각에 대한 배수성 혼합물의 배합설계를 실시하고, 혼합물에 대한 다양한 물리 역학적 시험을 수행하여 성능을 비교하였다.
제안 방법
- 2. 개질제의 첨가량에 따른 물리 역학적 특성의 비교 결과 K사의 B타입 개질제를 12% 포함한 아스팔트 바인더가 소성변형 저항성이 가장 우수한 것으로 나타나 B타입의 개질제를 선정하여 공용성 시험을 실시하였다.
- 5. 현장 시험시공을 실시하여 소음도를 측정하였다. 소음도 분석결과 공용 초기에 배수성 포장 구간의 경우 SMA 포장 구간에 비해 약 4dB(A), 콘크리트 포장에 비해 9dB(A)의 소음저감효과가 있는 것으로 나타났고, 공용 후 2년이 경과한 후 측정한 결과, 배수성 포장의 공극막힘현상으로 인해 소음 저감 효과는 공용 초기에 비해 다소 떨어져 SMA 포장 구간과 거의 유사한 정도로 감소하였으나 콘크리트 포장구간에 비해서 소음저감 효과가 유지되고 있는 것으로 확인 되었다.
- 2%로 최적함량이 결정되었다. 따라서 본 연구에서 수행된 모든 실내 공용성 시험은 앞서 결정된 최적함량으로 혼합물을 생산하여 시험을 실시하였다.
- 국내 도로포장에서 주요 파손 원인 중 여전히 많은 부분이 소성변형에 기인하고 있어 상대적으로 소성변형 저항성이 우수한 첨가제 B를 적용한 혼합물이 현장에서 보다 우수한 공용성을 가질 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 첨가제 B를 선택하여 실내 공용성 시험 및 현장 시험시공을 실시하였다.
- 이러한 물고임 현상이 발생하면, 길어깨 접속 부위는 지속적인 침수효과로 인해 강도가 저하되고 하중으로 인한 파손의 위험이 증가한다. 따라서, 본 시험시공에서는 표층의 배수성 포장 특성을 반영하여 물고임 현상의 발생을 최소화할 수 있도록 그림 10과 같이 콘크리트 포장을 40mm 절삭하여 본선과 길어깨의 불투수층 높이를 맞추어 시공하였다.
- 한 종류의 국산 개질제와 일본에서 사용되는 개질제 한 종류에 대하여 각각에 대한 배수성 혼합물의 배합설계를 실시하고, 혼합물에 대한 다양한 물리 역학적 시험을 수행하여 성능을 비교하였다. 또한 현장 시험시공을 실시하여 시간에 따른 소음 특성의 변화를 분석하였다.
- 아스팔트 혼합물의 수분민감성을 측정하는 데는 여러 종류의 시험이 있으나 현재 가장 많이 적용되고 있는 ASTM D 4867-92의 규정에 따라 시험을 실시하였다. 마샬 시편을 제작하여 건조 인장강도와 수침 인장강도를 간접 인장시험을 통해 측정하여 간접 인장강도비를 계산한다. 아스팔트 혼합물의 수분손상에 대한 저항성은 TSR(Tensile Strength Ratio)이 높을수록 유리한 것으로 알려져 있으며, 미국의 경우 대부분의 주에서는 TSR이 70~80% 이상이 되도록 배합설계에 규정하고 있다(Brown et al, 1998).
- 본 연구에서는 혼합물에 대해 피로시험을 수행하여 얻어진 데이터로부터 강성(Stiffness)을 계산하고 이를 통해 시편의 강성이 초기 강성의 50%에 도달했을 때 까지 시편에 가해진 하중재하횟수를 피로수명으로 결정하였다. 본 시험에서는 10Hz의 주기를 갖는 Haversine 하중을 시편에 가하였고, 0.1초의 하중을 연속으로 재하하여 시편의 상대적인 피로수명을 비교하였다(건설교통부, 2002).
- 본 연구에서는 상한입도와 하한입도의 중앙입도를 목표로 각 크기별 골재를 합성하여 배합설계를 하였으나 공극률이 목표 공극률인 20%에 도달하지 못하여 목표입도를 시방규정의 하한 쪽으로 이동하여 골재를 합성해 사용하였다.
- 본 연구에서는 최대입경 13mm 골재를 사용하여 아스팔트 혼합물을 생산하였다. 시험에 사용된 골재는 국내에서 생산되는 쇄석 골재를 사용하였으며 골재의 입도 범위는 그림 4와 같은 최대골재 13mm의 배수성포장의 골재 입도를 사용하였다.
- 아스팔트 바인더가 혼합물의 피로수명에 미치는 영향을 파악하기 위하여 2종의 아스팔트 혼합물에 대하여 간접인장 피로시험을 실시하였다. 본 연구에서는 혼합물에 대해 피로시험을 수행하여 얻어진 데이터로부터 강성(Stiffness)을 계산하고 이를 통해 시편의 강성이 초기 강성의 50%에 도달했을 때 까지 시편에 가해진 하중재하횟수를 피로수명으로 결정하였다. 본 시험에서는 10Hz의 주기를 갖는 Haversine 하중을 시편에 가하였고, 0.
- 그림 11은 현장 시험시공 과정을 보여준다. 시공은 기존 콘크리트 포장 노면 절삭, 절삭면 프라이머 코팅, 아스팔트 혼합물 포설 및 다짐 순으로 진행되었으며 PSMA+PSMA 층으로 구성된 1차로부터 시작되었다.
- 시험시공 현장에 대한 추적조사는 시공 후 약 40일, 120일, 760일이 경과된 시점에서 3회 실시하였다. 추적조사에서는 배수성 포장의 공용상태 및 현장채취 코어 공시체를 이용한 공극률 분석과 차량주행 시 발생하는 소음평가가 수행되었다.
- 아스팔트 바인더가 혼합물의 피로수명에 미치는 영향을 파악하기 위하여 2종의 아스팔트 혼합물에 대하여 간접인장 피로시험을 실시하였다. 본 연구에서는 혼합물에 대해 피로시험을 수행하여 얻어진 데이터로부터 강성(Stiffness)을 계산하고 이를 통해 시편의 강성이 초기 강성의 50%에 도달했을 때 까지 시편에 가해진 하중재하횟수를 피로수명으로 결정하였다.
- 앞에서 선택된 B 첨가제를 적용한 아스팔트 바인더(Type B)와 일본(Type J) 개질 아스팔트 바인더 두 종류에 대해 물리적 시험을 수행하였으며, 결과를 표 2에 정리하였다. 시험결과 두 개질 아스팔트 바인더 모두 일본 배수성 포장용 개질 아스팔트의 품질규격(H형)을 만족하는 것으로 나타났다.
- 음측정 결과의 상대 비교시 참고자료로 활용하기 위하여 등가소음도 측정시 교통량을 함께 조사하였다. 차종은 승용차, 버스(대형), 트럭(1.
- 음측정 결과의 상대 비교시 참고자료로 활용하기 위하여 등가소음도 측정시 교통량을 함께 조사하였다. 차종은 승용차, 버스(대형), 트럭(1.5톤 초과), 트레일러 4종으로 구분하였으며, 측정시간동안 통과대수를 차종별로 기록하였다.
- 시험시공 현장에 대한 추적조사는 시공 후 약 40일, 120일, 760일이 경과된 시점에서 3회 실시하였다. 추적조사에서는 배수성 포장의 공용상태 및 현장채취 코어 공시체를 이용한 공극률 분석과 차량주행 시 발생하는 소음평가가 수행되었다.
- 2m의 높이에서 측정되었다. 측정위치는 포장형식별로 상대비교를 위해 동일한 위치에서 실시하여야 하기 때문에 길어깨 끝단을 기준으로 하였다.
- 본 연구에서는 K사에서 개발한 2종류의 배수성 포장용 폴리머 개질제를 사용한 아스팔트 바인더들에 대한 시험을 실시하여 공용성능이 상대적으로 우수한 한 종류의 개질제를 선정하였다. 한 종류의 국산 개질제와 일본에서 사용되는 개질제 한 종류에 대하여 각각에 대한 배수성 혼합물의 배합설계를 실시하고, 혼합물에 대한 다양한 물리 역학적 시험을 수행하여 성능을 비교하였다. 또한 현장 시험시공을 실시하여 시간에 따른 소음 특성의 변화를 분석하였다.
- 현장 소음측정 시험은 총 3회에 걸쳐 수행되었다. 차량 주행에 따른 소음의 평가에는 등가소음도(Leq.
대상 데이터
- 시험에 사용된 첨가제의 종류 및 함량(아스팔트 바인더의 중량 대비)은 다음 표 1과 같다. J 첨가제의 경우 일본에서 일반적으로 사용되는 첨가제이고, 아스팔트 바인더는 PG 64-22에 해당하는 것을 사용하였다.
- 배수성 포장의 시험시공은 중앙고속도로 적성터널 진출부(상주방향) 콘크리트 포장에 덧씌우기 포장 공법의 일환으로 시공되었다. 시공 구간은 총 연장 380m이며 1,2차로 모두 덧씌우기가 시행되었다. 덧씌우기 공법은 기본적으로 PSMA 공법이 적용되었으며, 배수성 포장은 2차로의 200m 연장으로 시공되었다.
- 시험시공구간의 휠 패스 구간 및 차로 중앙부에서 덧씌우기 층의 코어 시편을 채취하였다. 현장에서 채취된 코어 시편은 실내시험을 통해 배수성 포장에서 가장 중요한 현장에서의 공극률 평가에 사용되었다.
- 본 연구에서는 최대입경 13mm 골재를 사용하여 아스팔트 혼합물을 생산하였다. 시험에 사용된 골재는 국내에서 생산되는 쇄석 골재를 사용하였으며 골재의 입도 범위는 그림 4와 같은 최대골재 13mm의 배수성포장의 골재 입도를 사용하였다.
데이터처리
- 그림에서 보는바와 같이 B타입의 개질제가 J 타입에 비해 피로균열에 대한 저항성이 우수한 것을 알 수 있었다. 식(1)의 일반적인 피로수명 모델 식을 사용하여 회귀분석을 실시하였고, 이 값을 표 5에 나타내었다.
이론/모형
- 동적안정도는 혼합물에 1mm의 소성변형을 유발시키는데 가해진 하중재하횟수로써 결정된다. 시험방법은 KS F2374의 규정에 따라 시험을 실시하였다.
- 아스팔트 혼합물의 수분민감성을 측정하는 데는 여러 종류의 시험이 있으나 현재 가장 많이 적용되고 있는 ASTM D 4867-92의 규정에 따라 시험을 실시하였다. 마샬 시편을 제작하여 건조 인장강도와 수침 인장강도를 간접 인장시험을 통해 측정하여 간접 인장강도비를 계산한다.
- 현장 소음측정 시험은 총 3회에 걸쳐 수행되었다. 차량 주행에 따른 소음의 평가에는 등가소음도(Leq. Equivalent Noise Level)를 이용하였다. 등가소음도란 임의의 측정시간 동안 발생한 변동소음의 총에너지를 같은 시간 내의 정상소음의 에너지로 등가하여 얻어진 소음도를 말한다.
성능/효과
- 1. PG 규격 시험 결과 모든 아스팔트 바인더의 등급은 PG82-22인 것으로 나타났다.
- 표 3은 휠트래킹 시험결과를 이용하여 동적안정도 값을 계산한 결과로 B타입이 J타입에 비해 소성변형이 보다 많이 발생됨을 알 수 있다. 2개의 모든 개질제가 배수성 혼합물의 시방규정인 3,000회 보다 높은 값을 얻을 수 있었다.
- 1dB(A)로 나타났다. 2차 조사에서는 배수성 포장의 등가소음도가 가장 낮은 것으로 나타났으며, 특히 콘크리트 포장보다 8dB(A)가량 소음저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 PSMA 포장의 경우 1차 조사에 비해 소음저감 효과가 많이 감소된 것으로 나타났는데 이는 포장 공용에 따른 표면조직의 마모 및 이물질이 쌓여서 나타나는 현상으로 판단된다.
- 2차 추적조사 시에는 시공 후 시간이 얼마 지나지 않아서 공극률의 변화가 크지 않을 것이라 판단하여 현장코어 시편을 채취하지 않았고, 3차 추적조사에서 측정한 결과를 보면 평균적으로 6% 이상 낮아져 소음 저감성능 및 배수능력이 다소 떨어질 것이 우려되었다.
- 3. 아스팔트 바인더에 대한 물리적 시험 결과 절대점도와 침입도의 잔류율에서 상당한 차이를 보였고, B 타입의 경우 침입도 잔류율이 단기공용 후 노화가 많이 진행될 가능성이 있는 것으로 나타났으며, 또한 절대점도 값이 다소 높아 골재와의 혼합 시 골재에 흡수되는 아스팔트 량을 감소시키거나 다짐 시 다짐온도를 높여야 하는 등의 문제가 발생할 우려가 있는 것으로 나타나 이에 대한 물성의 개선이 요구된다.
- 4. 동일한 골재를 사용한 혼합물에 대하여 B타입과 일본 개질제에 대한 실내 공용성 시험을 실시한 결과 소성 변형에 대한 저항성은 일본 개질제가, 수분손상에 대한 저항성과 피로균열에 대한 저항성은 B타입이 우수한 것으로 나타났다.
- 6. B타입의 배수성 포장용 개질제는 일본의 개질제와 비교했을 때 공용특성 측면에서 대동소이하거나 경우에 따라서는 우수한 결과를 나타내었고, 현장시공 후 성능에도 양호한 수준을 나타내었다.
- G*×sin δ 값이 적을수록 피로 균열에 대한 저항성이 높은 것을 근거로 하였을 때, 대체적으로 첨가제 비율이 12%일 때의 아스팔트 바인더에서 피로균열 저항성이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 8dB(A)로 나타났다. PSMA 포장구간과 배수성 포장구간의 소음도가 콘크리트 포장 보다 9dB(A) 가량 소음 저감 효과가 있는 것으로 나타났으며, 배수성 포장의 경우 2차 조사 시 보다 소음 저감효과가 많이 감소된 것으로 볼 수 있는데, 이는 포장 공용에 따른 공극 막힘 현상으로 인하여 낮아진 공극율에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서, 차후 배수성 포장의 공극 막힘 문제를 해결하기 위한 방안 마련이 모색되어야 할 것으로 판단된다.
- RTFO를 수행하여 단기노화를 거친 아스팔트 바인더의 고온 등급 시험에서는 G*/sin δ ≥2.2kPa에 부합되어야 하는데(AASHTO MP1-93), 모든 아스팔트 바인더가 조건에 부합되는 것을 알 수 있었다.
- 표 8은 2차 현장조사 시 수행한 소음 측정결과를 보여준다. 각 구간별로 측정한 등가소음도의 평균값은 각각 PSMA 포장은 76.2dB(A), 배수성 포장은 71.9dB(A), 콘크리트 포장은 80.1dB(A)로 나타났다. 2차 조사에서는 배수성 포장의 등가소음도가 가장 낮은 것으로 나타났으며, 특히 콘크리트 포장보다 8dB(A)가량 소음저감 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 시험결과 두 개질 아스팔트 바인더 모두 일본 배수성 포장용 개질 아스팔트의 품질규격(H형)을 만족하는 것으로 나타났다. 두 개질제간의 물성차이는 거의 없는 것으로 나타났으나 침입도 잔류율에서 다소 큰 차이가 나타났다. 이는 B 첨가제의 경우 박막가열 후 침입도의 변화가 크다는 것을 의미하고 따라서, 바인더의 노화에 따른 물리적 성질의 변동이 클 가능성이 있는 것으로 사료된다.
- 이러한 함량에서는 그림 6에서 보는 바와 같이 칸타브로 손실율이 높아서 골재의 비산이 상당히 발생할 우려가 있다. 따라서 공극률을 19.5%로 낮추어 최적함량을 결정하였고 B타입은 4.1%, J타입은 4.2%로 최적함량이 결정되었다. 따라서 본 연구에서 수행된 모든 실내 공용성 시험은 앞서 결정된 최적함량으로 혼합물을 생산하여 시험을 실시하였다.
- 따라서 앞서 수행된 DSR 시험과 BBR 시험을 종합해 본 결과, 5가지 바인더(A-10, A-12, B-10, B-12, J)는 모두 공용성 등급이 PG 82-22로 결정되었다.
- 2kPa에 부합되어야 하는데(AASHTO MP1-93), 모든 아스팔트 바인더가 조건에 부합되는 것을 알 수 있었다. 또한 B 첨가제를 12% 포함한 아스팔트 바인더가 소성변형 저항성이 크다는 것을 알 수 있었다.
- 현장 시험시공을 실시하여 소음도를 측정하였다. 소음도 분석결과 공용 초기에 배수성 포장 구간의 경우 SMA 포장 구간에 비해 약 4dB(A), 콘크리트 포장에 비해 9dB(A)의 소음저감효과가 있는 것으로 나타났고, 공용 후 2년이 경과한 후 측정한 결과, 배수성 포장의 공극막힘현상으로 인해 소음 저감 효과는 공용 초기에 비해 다소 떨어져 SMA 포장 구간과 거의 유사한 정도로 감소하였으나 콘크리트 포장구간에 비해서 소음저감 효과가 유지되고 있는 것으로 확인 되었다.
- 앞에서 선택된 B 첨가제를 적용한 아스팔트 바인더(Type B)와 일본(Type J) 개질 아스팔트 바인더 두 종류에 대해 물리적 시험을 수행하였으며, 결과를 표 2에 정리하였다. 시험결과 두 개질 아스팔트 바인더 모두 일본 배수성 포장용 개질 아스팔트의 품질규격(H형)을 만족하는 것으로 나타났다. 두 개질제간의 물성차이는 거의 없는 것으로 나타났으나 침입도 잔류율에서 다소 큰 차이가 나타났다.
- 앞서 실시한 바인더의 물성시험 결과에서는 60℃에서의 절대 점도 값이 B첨가제가 J 첨가제에 비해 약 두배정도 높게 나타났으나 휠트래킹 시험결과를 보면 오히려 J첨가제가 소성변형에 대한 저항성이 높은 것으로 나났다. 이는 J첨가제가 시공성 측면에서 점도가 낮아 골재와의 혼합이나 혼합물 다짐 시에 보다 유리하게 작용한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 실시한 소음측정은 조사대상에 포함된 구간들의 상대적인 소음저감능력을 평가하기 위한 것으로 포장형식에 따른 절대적인 기준 값으로 사용하기에는 다소 무리가 있다. 즉, 소음원으로부터의 이격거리의 제한(사면, 성토구간 등), 차로별 포장형식 적용의 제한(배수성 포장은 2차로만 적용) 통과 교통량, 다양한 차량 주행속도 등으로 인해 본 연구에서 측정하지 않은 다른 저소음 포장 또는 소음측정 구간과의 비교는 객관적인 결과를 추론할 수 없다고 판단된다.
- 첨가제 A와 B 모두 첨가제 J와의 물성비교에서 큰 차이가 없는 것으로 나타나 기존 외산 배수성 첨가제와 거의 동등한 성능을 갖는 배수성 혼합물 생산이 가능한 것으로 판단된다. 국내 도로포장에서 주요 파손 원인 중 여전히 많은 부분이 소성변형에 기인하고 있어 상대적으로 소성변형 저항성이 우수한 첨가제 B를 적용한 혼합물이 현장에서 보다 우수한 공용성을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 초기에는 PSMA 포장의 경우에도 SMA 포장의 특성대로 거친 표면조직이 형성되어 배수성 포장과 거의 동일한 수준의 소음 저감 효과가 나타나는 것으로 판단된다. 특히 배수성 포장과 일반 콘크리트 포장의 등가소음도 차이는 10dB(A)에 이르는 것으로 나타나 소음저감 효과가 확실히 뛰어나게 발휘되고 있음을 알 수 있었다.
- 표 4에서 보는 바와 같이 건조시편 대비 수침시편의 인장강도비가 B타입은 97.2%, J타입은 92.4%로 모두 수분에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 첨가제 A와 B 모두 첨가제 J와의 물성비교에서 큰 차이가 없는 것으로 나타나 기존 외산 배수성 첨가제와 거의 동등한 성능을 갖는 배수성 혼합물 생산이 가능한 것으로 판단된다. 국내 도로포장에서 주요 파손 원인 중 여전히 많은 부분이 소성변형에 기인하고 있어 상대적으로 소성변형 저항성이 우수한 첨가제 B를 적용한 혼합물이 현장에서 보다 우수한 공용성을 가질 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 첨가제 B를 선택하여 실내 공용성 시험 및 현장 시험시공을 실시하였다.
- PSMA 포장구간과 배수성 포장구간의 소음도가 콘크리트 포장 보다 9dB(A) 가량 소음 저감 효과가 있는 것으로 나타났으며, 배수성 포장의 경우 2차 조사 시 보다 소음 저감효과가 많이 감소된 것으로 볼 수 있는데, 이는 포장 공용에 따른 공극 막힘 현상으로 인하여 낮아진 공극율에 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서, 차후 배수성 포장의 공극 막힘 문제를 해결하기 위한 방안 마련이 모색되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 실시한 소음측정은 조사대상에 포함된 구간들의 상대적인 소음저감능력을 평가하기 위한 것으로 포장형식에 따른 절대적인 기준 값으로 사용하기에는 다소 무리가 있다. 즉, 소음원으로부터의 이격거리의 제한(사면, 성토구간 등), 차로별 포장형식 적용의 제한(배수성 포장은 2차로만 적용) 통과 교통량, 다양한 차량 주행속도 등으로 인해 본 연구에서 측정하지 않은 다른 저소음 포장 또는 소음측정 구간과의 비교는 객관적인 결과를 추론할 수 없다고 판단된다.
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